基于PLC的六自由度焊接機器人手臂設計與應用

董長福 胡興偉 武升杰 孫明軍 焦念剛

摘 要：六自由度焊接機器人對于提高產品質量和企業競爭力有著重要意義，也是實驗制造業自動化生產的重要手段。本文研究六自由度機器人關節分解和關節與工作件坐標系合并原理，闡述機器人手臂結構，通過PLC控制手臂關節運動，完成手臂位姿控制的任意性，從而完成操作工作。

關鍵詞：焊接機器人;位姿;PLC

中圖分類號：TH112 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）13-0067-02

0 引言

機器人技術的應用水平象征著制造能力的水平，是一個國家工業自動化水平的重要標志[1]。由于人機協作機器人所具有的感知能力、友好性、操作指向性強、輕量化等特點，被逐漸地運用到企業實際的生活生產中[2]。本文主要對焊接機器人手臂工作原理和PLC控制系統進行分析，保證本機構完全實現六自由度工作的前提下，保證安全生產與精準生產，提高生產效率。

1 焊接機器人位姿確認

焊接機器人使用了PLC、傳感器等技術，通過電機驅動等控制方法，使機器人根據操作者預輸入的配置文檔，通過調整機器人的軀干，協調各關節部位運動到合適位置，同時驅動焊鉗和焊槍開始工作，完成指定操作工作，具體操作流程如圖1。

要實現焊接機器人的軀干運動，六自由度的機器人手臂無疑滿足了生產要求，六自由度的實現，即三個位移坐標和三個旋轉坐標的實現，首先要確定機器人的工作件在空間坐標系中的位姿形態。

首先設立一個基準直角坐標系A，通過計算分析并定義機器人末端位姿P，，末端位姿P的位置分量如圖2所示。

要確定焊接機器人的工作件位姿，必須聯結機器人的剛性手臂坐標系。

焊接機器人工作件以外的剛性手臂依靠關節聯結，在六自由度環境下不止一個關節，我們摘出一個關節i和鄰近的前后關節為例說明機器人手臂坐標系位置圖，如圖3所示。

對于手臂坐標系的某一連桿來說，關節關系描述，包括連桿長度ai和鄰近連桿扭角αi，如圖3中展示，鄰近連桿關節一般是剛性元件，可作出中軸線，線長即桿長ai，兩線的夾角即扭角αi。

對于手臂坐標系的兩連桿來說，運動關系描述，包括連桿夾角θi和距離di。如圖3中展示，兩關節的公垂線的夾角即連桿夾角θi，兩關節的公垂線間的距離即距離di。

通過以上四個參數的確定，可以實現焊接機器人的六自由度描述，也就是說，當連桿i做移動運動時，di隨著改變;當連桿i做旋轉運動時，θi隨著改變。

一般來說，六自由度機器人串聯手臂機構坐標系的建立，應當滿足以下條件[3]：

（1）設定其中一連桿i所處空間坐標系的原點，同時處于連桿i+1的軸線上，且為兩關節軸線之間的公垂線與關節i+1軸線的交點;

（2）手臂系統中，所有連桿的關節軸線所處的位置應該與z軸處于一條直線上;

（3）串聯手臂機構的對應關節公垂線的矢量方向始終為i，且指向關節為i+1;

（4）通過右手螺旋法明確Y軸方向。

經過矩陣求解，可以得到焊接機器人正運動學位姿參數方程：

si=sinθi;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

ci=cosθi;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

si+1，i-1=sin（θi+1+θi-1）;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

ci+1，i-1=cos（θi+1+θi-1）;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

公式（1）（2）（3）（4）即六自由度焊接機器人某一關節的正運動位姿。

2 弧焊機器人PLC位姿控制

可編程邏輯控制基本單元模塊包括CPU、存儲器，其作用包括存儲數據，對數據進行運算，實現利用自動化技術遠程控制機械電氣裝置的目的，主要優點包括強抗擾能力、自我檢測和機電一體化的實現。

焊接機器人手臂PLC控制通過總線通信，輸出多路PWM信號控制步進電機，調動關節，控制手臂的各個自由度。脈沖時間s參數由PLC實時變化，脈沖信號頻率與步進電機的轉速成正比，控制結構可以如圖4所示。

以焊接機器人關機i為例，Ui與Ii形成步進電機的初始轉速與工作后的時刻轉速，U和i體現PLC的自我檢測，作用是對信號修正，同時在操作臺有復位按鈕和限值調整按鈕，更換算法，完成不同操作。

依照圖4的結構，可以設計如下，以Xi_start、Xi_stop、Xi_current表示手臂關節的空間位置數據，經過計算得到Xi_result，若數據出現負值則取絕對值即手臂的工作運行距離，同時決定了桿件的扭轉，即對應著圖3中的di與θi。

在該焊接機器人手臂設計中，PLC主要是用來調整步進電機頻率，即調節機器人手臂關節輸出脈沖。自由度數目為6，推導可得輸出脈沖R參數轉換矩陣如式（5）所示。

（5）

其中，β為軸數，γ為諧波速度，si和ci對應式（1）和式（2），x0和y0對應基準坐標系。

在實際控制中，建立變換坐標系，以式（5）輸出PWM信號對焊接機器人手臂進行邏輯控制。

3 弧焊機器人操作

弧焊機器人采用了交流伺服驅動技術、精度高且剛性優的RV減速機以及諧波減速器，同時采用了先進的智能控制技術，來控制串聯手臂機構的協調性與位置姿態，弧焊機器人現場操作如圖5。

4結語

本文把弧焊機器人作為分析對象，首先分析了六自由度弧焊機器人手臂的位姿形態、PLC位姿控制方式，并在實際操作中檢驗工作效果，最終結果表明，六自由度焊接機器人能夠在配置文件PLC控制下完成手臂位姿控制，滿足生產要求。

參考文獻

[1] 萬豐，許俊鋒，吳佳.基于PLC的機器人手臂位置控制算法研究[J].儀表技術，2016（06）：34-37+40.

[2] 王飛，晁智強，張傳清，等.機器人手臂運動軌跡跟蹤變導納控制仿真[J].計算機仿真，2018，35（12）：280-285.

[3] 肖爽.六自由度焊接機器人運動學及動力學研究[D].烏魯木齊：新疆大學，2019.

Abstract：Six-degree-of-freedomwelding robot is of great significance to improve product quality and enterprise competitiveness， and is also an important means of automatic productioninexperimental manufacturing. In this paper， the principle ofsix-degree-of-freedom robot jointdecomposition and coordinate system combination between joint and work piece is studied， and the structure of robot arm is expounded.

Key words：robotic arm;posture;PLC

收稿日期：2020-06-09

作者簡介：董長福（1973—），男，山東濟寧人，本科，技術員，研究方向：礦山機電產品的研究與開發。

通訊作者：胡興偉（1988—），男，山東濟寧人，研究生，研究方向：機械產品研發設計。